花岗岩真三轴加载破坏前兆信息

潘元贵，杜春阳，谢小国，伍中庚，李 维，魏良帅，李欣泽

(1.四川省华地建设工程有限责任公司，成都 610081；2.四川省地质矿产勘查开发局成都水文地质工程地质中心，成都 610081；3.核工业二八○研究所，广汉 618300；4.中国地质科学院探矿工艺研究所，成都 611734)

岩体开挖卸荷后，岩体内部受到扰动且应力重新分布，岩体在这种状态下易发生突发性失稳破坏。部分岩体结构完整，内部节理裂隙较少，在发生突发性失稳破坏前，岩体卸荷面上无异常现象发生，极易对现场施工人员的生命造成威胁。因此，对于完整性岩体在开挖卸荷后的突发性失稳破坏前兆信息的研究就显得格外重要。

目前，中外学者对岩石失稳破坏前兆信息的识别和提取作出了大量研究，采用先进的试验仪器(高速摄像机提取岩石破坏过程中表面裂纹演化过程、声发射系统提取岩石内部声学信号、红外热像仪记录岩石表面温度场演化过程)对岩石破坏过程中的裂纹发育、内部声学信号、岩石表面温度场变化开展研究，获得了大量研究成果。其中，红外热像研究领域，Luong等[1-3]探究岩石在疲劳破坏过程中红外热辐射特征，揭示岩石在不同加载过程中均伴随有不同程度的热辐射，分析岩石表面热像特征，可对岩石的破坏程度进行判定。Martelli等[4]对岩石破坏过程中岩石表面电磁辐射研究中，提出“摩擦致热发光效应”和“等离子效应”假说。刘善军等[5-7]研究岩石破坏过程中热红外前兆形式及类型；针对岩石加载过程中热红外辐射温度场的演化特征展开定量研究，发现采用熵来反映岩石加载破坏过程更好；研究潮湿岩石加载过程中热红外辐射变化特征时发现:岩石破坏过程中，潮湿岩石的热像异常现象较差，干燥岩石的热像异常现象较好，水对岩石加载破坏过程中的热红外辐射具有降低作用。张铁宝等[8]针对芦山和岷县地震前该地区的卫星热红外影像变化特征展开研究，发现强震前温度升高区域的分布受二级地块控制。张璇等[9]和邵楠清等[10]研究地震前热像亮温异常的时空演变特征，发现热像异常区域与未来地震区域相一致。宁亚灵等[11]在研究文安地震前卫星热像变化特征中发现，震前热像中的透热指数和异常比值同时出现异常高值。郭帮杰等[12]运用热红外光谱遥感来定量反演岩石中的石英含量，发现热红外光谱的发射峰凸显程度与石英含量呈正相关关系。

声发射研究领域中，苏承东等[13]声发射事件数随应变呈现阶段性变化特征，声发射参数能反映岩石应力水平和破裂阶段，具有稳定的前兆特性。苏国韶等[14-15]研究岩爆过程中声发射频谱特征，发现在岩爆发生前，声发射幅值出现平静期，岩爆过程中声发射主频由高向低过渡。朱振飞等[16]研究拉伸条件下声发射主频和双频特征，研究发现声发射频谱对裂纹开展有较强的敏感性。陈国庆等[17]研究节理裂隙花岗岩单轴压缩破坏过程中热红外前兆信息特征，发现热红外前兆性优于声发射前兆，通过热像走势可以预测未来裂纹扩展趋势。张志婷等[18]对开放性节理裂隙岩石三轴加载破坏的前兆信息展开研究，研究发现岩石破坏前临空面上的温度特征粗糙度会出现异常变化，这种变化预示着岩石破坏即将来临。赵建军等[19]对不同应力路径下英安岩声发射b值特征开展研究，研究结果表明当岩样峰值强度后存在明显的应力跌落，此时声发射b值的快速下降。

综上所述，中外众多学者对岩石破坏过程中红外热像和温度场以及声发射信号展开较为全面研究，获得丰硕的研究成果，为岩体失稳预警提供了重要参考。基于科研前辈们的研究思路，将热红外与声发射引入岩石真三轴加载过程中，分析研究岩石在真三轴加载破坏过程中声发射和热红外变化特征，着重研究岩石破坏前各项指标的异常变化，为岩石破坏提供前兆预警。

1 试样制备和试验方案

1.1 试样制备

岩石试样材料为花岗岩，岩样结构致密，完整性好。岩样尺寸为长宽高均是100 mm的标准立方体，岩样端面平整度±0.05 mm，垂直度误差±0.25°。真三轴加载试验一共准备9个岩样，分为3组，每组3个岩样，试件照片如图1所示。

图1 花岗岩试件照片

1.2 试验方案

真三轴加载试验研究背景为岩体开挖卸荷后，卸荷面附近应力集中导致岩体失稳破坏。

设置初始应力:σ1为最大主应力方向，σ2为中间主应力方向，σ3为最小主应力方向，最小主应力方向为卸荷方向。

真三轴试验加载方案为:试验加载采用位移控制和荷载控制两种方式，先用位移控制方式对σ1施加0.5 MPa力，使试件端面与传力柱面接触，再转换荷载控制方式，以0.2 MPa/s加荷速率加载至最大主应力设计值；保持最大主应力不变，运用同样加载方式将σ2加载至设计值；保持中间主应力不变，对σ3方向保持单面临空，对立面采用以上方式施加应力至设计值。试件在此应力状态下受力保持10 s，试件应力状态如图2所示，之后保持σ2和σ3应力不变，以2 kN/s的加载速度增加σ1直至试件破坏。在此过程中声发射、高速摄像机、红外热像仪同步采集数据。为消除试验随机性，每种中间主应力下做3个试样，试验应力加载详细信息如表1所示。

图2 真三轴加载应力状态及应力路径

表1 真三轴加载试验详细信息

1.3 试验仪器

加载设备:真三轴加载试验采用的试验机是新型高压伺服动真三轴刚性试验机(TAW1-5000/3000)如图3所示。水平加载系统可输出最大压力3 000 kN，竖直加载系统可输出最大压力5 000 kN，加卸载过程运用全数字伺服测控技术，保证试验加载准确性。

图3 高压伺服动真三轴试验系统

观测设备:声发射采集系统、红外热像仪、高速摄像机。红外热像仪为FLIRSC305红外热像仪，如图4所示，热像仪探测最大距离10 m，温度测量范围为-20～350 ℃，测量精度为2%，红外图像分辨率320×240像素，图像采集帧频9 Hz。

图4 FLIRSC305红外热像仪

声发射监测仪器是由美国PAC公司研发的Micro-II Digital AE System声发射采集系统，如图5所示。

图5 Micro-II Digital AE System声发射采集系统

试验采用美国SVSI公司研制的高速数字摄像机对岩石破坏过程进行观察，高速摄像机如图6所示。高速摄像机相关参数:摄像机最大分辨率为1 280×1 024像素，最大帧速率532 f/s。

图6 SVSI高速摄像机

试验采用红外热像仪实时记录岩石加载过程中表面温度和热像变化情况；高速摄像机用以记录岩石加载破坏过程，观察岩石破坏过程中表面裂纹发育扩展情况；声发射仪用来捕捉岩石内部声学信号，根据声发射信号变化来反映岩石内部裂纹发育情况。

2 热红外前兆信息

2.1 热像演化与岩石破坏过程

观察岩石破裂过程中红外热像演化特征，对比分析岩石破坏过程中试件临空面上红外热像变化特征，探究岩石破裂与热像异常之间的关系。

图7为σ2=15 MPa时岩石破坏过程与热像演化过程对应关系图。当轴向荷载加载至142.25 MPa时，试件上部的红外热像开始出现异常斑块，斑块呈长条状，与未来裂纹出现位置相一致，此时试件临空面上无裂纹出现；荷载为145.13 MPa时，热像异常变成一条明亮条带，此时试件临空面上端开始出现裂纹；荷载为145.85 MPa时达到峰值，试件内裂纹贯通，临空面折断崩落，红外热像在崩落处出现高温异常斑块；随后应力逐渐回落，热像高温异常斑块也开始消散。

图7 σ2=15 MPa时岩石破坏与热像演化过程

图8为σ2=30 MPa时岩石破坏过程与热像演化过程图。轴向荷载219.98 MPa时热像首次初选异常斑块，出现位置为未来裂纹出现区域，荷载上升至222.47 MPa时，试件临空面上开始出现裂纹，此刻热像异常斑块变大；荷载增至峰值荷载225.68 MPa时，试件临空面崩落，崩落区的热像出现大面积高温斑块；应力回落至192.33 MPa时，试件在崩落区发生次生破坏。

图8 σ2=30 MPa时岩石破坏与热像演化过程

图9为σ2=45 MPa时岩石破坏过程与热像演化过程图。轴向荷载加至282.21 MPa时，临空面上热像出现大面积异常斑块，此刻试件临空面上无裂纹出现；荷载增至288.89 MPa时，试件右侧开始出现一条贯穿裂缝，该处热像出现一块亮温斑块；荷载增长至290.01 MPa时，试件破坏，试件右上侧出现一团高温斑块，随后临空面脱落，破坏面内热像异常斑块明显。

图9 σ2=45 MPa时岩石破坏与热像演化过程

根据以上对比分析可知，热像演化与岩石表面裂纹发育有较好的对应性。三种中间主应力条件下，试件临空面出现裂纹之前都有热像异常现象发生，且热像异常出现位置与未来裂纹出现位置相对应，受压摩擦区域热像呈升温状态，张拉区域热像呈降温状态。其中，σ2=15、30、45 MPa时热像首次出现距试件破坏依次为18、32、39 s，临空面上裂纹首次出现距离试件破坏3.6、5.6、7.8 s。

2.2 热红外温度变化特征

热像演化从空间上反映了岩石破坏过程及破坏特征，温度曲线可从时间上反映岩石加载破坏过程。图10(a)为σ2=15 MPa时温度时间曲线图。将试件整个破坏过程划分为5个阶段，第Ⅰ阶段为初始阶段，温度变化幅度微小，应力应变曲线呈线性变化；第Ⅱ阶段为发展阶段，温度变化小，应力应变曲线上升加快；第Ⅲ阶段为异常阶段，温度曲线开始初选异常变化，主要表现为变化幅度明显增大，应力应变曲线依旧呈上升趋势，第Ⅲ阶段末期温度曲线陡然上升，此刻试件破坏；第Ⅳ阶段为初始衰减期，该时期内温度曲线从峰值开始回落，曲线变化幅度大，应力跌落至120 MPa水平；第Ⅴ阶段为衰落期，温度曲线下落至一定温度后保持不变，应力应变曲线跌落。

图10(b)为σ2=30 MPa时温度时间曲线图。第Ⅰ阶段内应力应变曲线斜率较小，温度保持在20.53～20.71 ℃变化；第Ⅱ阶段内温度曲线变化幅度依旧较小，应力应变曲线斜率增大；第Ⅲ阶段内温度曲线出现转折性变化，变化形态呈先下降后上升，下降至K点后迅速回升，第Ⅲ阶段末期温度陡增至峰值，应力应变曲线在此期间斜率逐渐降低；第Ⅳ阶段，温度回落至20.85 ℃水平，温度曲线呈震荡变化，应力回落至190 MPa水平，应力应变曲线呈断崖式跌落；第Ⅴ阶段，破裂面上的温度逐渐降低至常温，温度曲线跌落，应力跌落至50 MPa水平。

图10(c)为σ2=45 MPa时温度时间曲线图。第Ⅰ阶段内温度曲线呈先升后降的变化趋势，变化范围为22.28～22.21 ℃，应力应变曲线呈线性上升；第Ⅱ阶段中温度曲线呈先降后升变化形态，应力应变曲线斜率上升；第Ⅲ阶段内，温度波动幅度增大，出现两次转折性变化，曲线变化形态呈“W”形，阶段末期温度骤然上升至22.37 ℃，此刻试件破坏，应力达到峰值；第Ⅳ阶段内温度曲线有所下降，但仍保持在高水平变化，这是因为破坏面上发生的次生破坏使得温度继续维持在高水平，应力应变曲线出现回落后上升的现象；第Ⅴ阶段内，温度曲线逐渐下跌，应力降低至154 MPa水平。

图10 温度变化曲线

根据以上分析可知，岩石破坏时表面峰值温度随中间主应力增加而增大，这是因为中间主应力增大使得试件强度增加，破坏前能集聚更多能量，破坏时能量释放更多，岩石破裂时温度升高。温度曲线第Ⅲ阶段中的异常转折变化预示着试件进入潜在破坏阶段，这种异常现象表明试件随时可能发生失稳破坏。

不同中间主应力下，温度曲线第Ⅲ阶段持续时间不同，15 MPa时为153 s，30 MPa时为189 s，45 MPa时为247 s。由此可见，中间主应力越大，温度异常变化出现越早，分析其原因在于:根据热弹效应理论[7]，岩石受力时表面温度升高，所受的荷载越大，温度升高越高。中间主应力增加使得岩样强度增大，使得岩石温度异常的荷载门槛值是一定的，所以高强度的岩石试件所表现出的温度异常要早于低强度的试件。

3 声发射变化特征

观察声发射振铃计数率变化过程，发现声发射振铃计数率变化过程存在阶段性，根据不同时段内声发射变化特征，分别定义为A平稳阶段、B上升阶段、C双峰值阶段、D衰减阶段。

图11(a)为σ2=15 MPa时声发射振铃计数率。平稳阶段占全过程的62.9%，声发射振铃计数率变化范围0～180；上升阶段占6.1%，振铃计数率上升至260～750变化水平，振铃计数率事件数也明显增多，该阶段末期，声发射振铃计数率出现首次突增，突增至1 890，此刻试件内部主裂纹贯通；双峰值阶段占23.3%，该阶段内声发射振铃计数率出现两次突增，第二次突增值为1 680，表明岩石内部又一条裂纹贯通，两次突增之间声发射计数率跌落至平稳阶段水平；第二次突增后声发射振铃计数率逐渐回落，降至平稳阶段水平，衰减阶段占7.7%。

图11 声发射振铃计数率

图11(b)为σ2=30 MPa时声发射振铃计数率。平稳阶段占71.0%，振铃计数率变化范围为0～280，整体上变化平稳；上升阶段占7.1%，该阶段内振铃计数率变化范围上升至310～450，阶段末期试件主裂纹贯通，声发射振铃计数率陡增至2 088；衰减期占21.9%，振铃计数率跌落至0～45变化范围。该试件声发射两次振铃陡增相隔较近，两条主裂纹贯通时间相差较短。

图11(c)为σ2=45 MPa时声发射振铃计数率。平稳阶段占62.7%，振铃计数率变化范围为0～450，整体变化幅度较小；上升阶段占3.5%，振铃计数率由0～450增长至800～900，且振铃事件数明显增多，阶段末期出现首次突增，增长至2 312，这预示着试件内部裂纹首次贯通；双峰值阶段占6.3%，振铃第二次陡增至2 472，两次陡增之间振铃计数率变化范围300～920，变化幅度明显增大；衰减期占27.5%，振铃计数率变化范围跌落至50～320。

通过分析不同中间主应力下声发射振铃计数率变化特征发现:①试件破坏时振铃计数率峰值随中间主应力增大而增加；②声发射振铃计数率首次上升距岩石破坏时间随中间主应力增大而增长，分别为62、81、102 s；③振铃计数率双峰值之间，振铃计数率跌落明显。分析这些现象的原因:①中间主应力上升使得试件强度增大，加载过程中内部能量积蓄增多，破坏时释放能量大，致使振铃计数率上升；②使得声发射振铃计数率上升的应力门槛值是一定的，试件强度增大，加载过程中应力能在试件破坏前更早到达门槛值；③振铃计数率每一次突增都是岩石内部一条裂纹贯通，裂纹贯通后试件内部能量释放，在以后一小段时间内，岩石内部处于平静状态。

4 各类前兆信息对比

根据以上研究分析，岩石真三轴加载破坏前，热红外存在两类前兆，分别是热像异常前兆和温度异常前兆；岩石破坏前，声发射振铃计数率异常上升。三种前兆信息对比分析，比较各类前兆的时序特征。

表2是热像前兆、温度前兆、声发射前兆、临空面裂纹出现的时序特征，根据表中信息可知，最早出现的是温度前兆信息，其次是声发射振铃计数率前兆，随后是红外热像异常前兆，临空面裂纹出现距岩石失稳破坏最近。导致这些前兆信息出现时序差异的原因如下。

表2 各类前兆信息首次出现距岩石破坏时间

(1)岩石表面温度变化要达到门槛值时所表现出的热像异常才能被肉眼识别，而温度曲线却能更加细微的反映岩石表面温度变化，所以温度曲线异常前兆比红外热像异常更早出现。

(2)岩石试件内部微裂纹出现致使声发射振铃计数率上升，相比于岩石表面温度变化要稍有延迟，但比热像异常前兆出现时间早。

(3)岩石表面裂纹出现预示着岩石主裂纹即将贯通，试件即将破坏。

通过研究岩石表面温度变化和岩石内部声学信号变化特征来反映岩石破坏过程。通过热像异常从岩石外部研究岩石受载破坏情况，通过声发射从岩石内部反映岩石破坏过程，用这两种前兆信息共同来捕获岩石破坏。

5 结论

花岗岩真三轴加载破坏过程中，对岩样临空面温度变化特征和热像演化特征以及声发射振铃计数率变化特征进行研究分析，得出以下结论。

(1)热像演化过程对岩石临空面破裂有指导作用；温度曲线在岩石破坏前会出现异常变化；声发射振铃计数率在破坏前会明显升高且计数率事件数也会明显增多。

(2)岩石破坏前出现的各类前兆信息具有现时序特征，时序顺序为:热红外温度前兆>声发射前兆>热像异常前兆>裂纹首次出现。

(3)空间上热像演化对岩石临空面的未来破坏位置有指导意义；时间上温度曲线能更早预警岩石破坏；从岩石内部角度上，声发射振铃计数率反映岩石内部裂纹发育情况，从岩石内部预警岩石破坏。